Prospects for carbon materials use in parts-making of gas-turbine engines and reciprocating internal combustion engines

Full Text

Основная задача при разработке двигателей - улучшение таких показателей, как топливная экономичность, экологичность, удельная материалоемкость, габаритно-массовые показатели, стоимость и ресурс. Значительное влияние на эти показатели оказывает выбор материалов для изготовления деталей: у газотурбинных двигателей (ГТД) - роторов компрессорной и турбинной ступеней, вращающегося рекуперативного теплообменника; у поршневых двигателей (ПД) - цилиндро-поршневой группы: головки и блока цилиндров, шатуна и особенно поршня. Кроме того, реализация свойств материала в изделиях, включая стоимость, связана с технологичностью - количеством и энергоемкостью технологических переходов от получения заготовки до конечного продукта. Использование новых материалов вместо традиционных конструкционных (алюминиевых сплавов, чугуна, стали), как правило, приводит к значительному удорожанию производства. Поэтому необходимо совершенствовать технологические процессы изготовления, и прежде всего количество и энергоемкость операций. В настоящее время наиболее перспективные материалы для деталей двигателей - высокотемпературные композиты: керамические и углеродсодержащие. Эти материалы приходят на смену сплавам и композитам на основе алюминия и титана. Особенно там, где требуется получить высокие удельные показатели по массе и габаритам [1, 2]. Высокие плотности металлических сплавов, их механические и физические свойства ограничивают возможность повышения эксплуатационных характеристик ГТД и ПД как за счет форсирования рабочего процесса, так и за счет повышения быстроходности. Последнее особенно важно для летательных аппаратов. Так, плотность сплавов на основе алюминия составляет порядка 2,7 г/см3, прочность на сжатие не ниже 250 МПа при температуре 20 °С, коэффициент теплового расширения около 23·10-6 м·°С-1, высокая теплопроводность. Плотность титановых сплавов около 4,5 г/см3, прочность на сжатие порядка 1200 МПа при температуре 20 °С, коэффициент теплового расширения около 9·10-6 м·°С-1, низкая теплопроводность. Углеродные композиты занимают достойное место в аэрокосмическом машиностроении (защитные покрывные облицовки, детали камер сгорания). Появление углеродных композитов с высокими прочностными свойствами при плотности менее 2 г/см3, не снижающимися с ростом температуры (в отличие от легкосплавных металлов), побудило ряд компаний разработать соответствующие технологии и предложить рынку графитовые поршни. Сравнение температурной зависимости прочностных свойств углеродного композита и алюминиевого сплава представлено на рис. 1. Особенность углеродных материалов заключается в высоких физико-механических свойствах рефракторного характера, повышении прочности при росте температур. Однако освоенные промышленностью традиционные технологии основаны на первичном получении путем длительных термических (термохимических) процессов углерод-графитовых заготовок в виде блоков и последующих операциях механической обработки, что обусловливает высокую стоимость конечных изделий. Для уменьшения стоимости производства разрабатываются принципиально новые технологии, нацеленные на предварительное формование изделий, сокращение цикла производства и энергопотребления. ООО «РЕАМ-РТИ» разрабатывает технологию изготовления деталей из углеродсодержащих композитов, в т.ч. с содержанием до 30% карбида кремния, через предварительно вулканизованные прекурсоры. Данная концепция позволяет получать изделия сложной геометрии, не достижимой прямым формованием или литьем в твердые формы, с малой толщиной стенок и достаточно значительными габаритами. Технология и материалы на ее основе получили название «Карбул». К таким ответственным изделиям сложной геометрической формы относится значительная часть элементов (корпуса, роторы и др.), широко применяемых в распределенной энергетике малоразмерных регенеративных ГТД. Корпусные элементы из стали и чугуна составляют основную часть массы малоразмерных ГТД. Поэтому при выполнении корпусных элементов из углеродсодержащих композитов масса малоразмерных ГТД снижается в разы. Следует отметить, что металлические ГТД имеют высокие габаритно-массовые показатели, и их существенное понижение значительно повысит конкурентоспособность малоразмерных ГТД. Выполнение высокооборотных роторов ГТД из графитосодержащих материалов обеспечит снижение их массы, увеличение ресурса и снижение размеров подшипников. Теплообменник с каркасом, выполненным из графитосодержащего композита, будет иметь значительные преимущества [3]: - малые температурные деформации каркаса (в 4 раза меньшие, чем у каркаса из стали), высокую эффективность работы уплотнений теплообменника; - малый коэффициент трения, меньшие затраты на привод теплообменника и увеличение ресурса уплотнений; - уменьшение массы более чем в 3 раза по сравнению с каркасом из стали (каркас имеет большие размеры, следовательно, его вклад в общую массу ГТД весьма существен). Вид каркаса роторного теплообменника, выполненного из графитосодержащего композита, показан на рис. 2. Опыт применения технологии «Карбул» ООО «РЕАМ-РТИ» для изготовления деталей из углеродсодержащих композитов охватывает такие изделия, как насосные рабочие ступени для нефтедобывающего оборудования, поршни различного назначения, включая поршни для ДВС. Следует подчеркнуть, что углеродные поршни освоены западными компаниями, подтверждена перспективность их применения как в двигателях на легких топливах, так и в дизельных двигателях. По публикациям компании Sсhunk (Германия), применение углеродного мезофазного композита в поршнях двух- и четырехтактных ПД позволяет: - снизить расход топлива и масла; - снизить шум и эмиссию токсичных компонентов с отработавшими газами; - повысить мощность; - увеличить эксплуатационную надежность; - снизить виброактивность двигателя; - повысить динамику набора мощности и крутящего момента. Данные свойства достигаются за счет реализации следующих преимуществ углеродных композитов. 1. Снижение плотности на 30% и более по сравнению с алюминиевыми сплавами. Это преимущество в массе снижает силы инерции возвратно-поступательно движущегося поршня и, соответственно, виброактивность, расход топлива, улучшает динамику разгона. 2. Углеродный композит представляет собой рефракторный материал. В отличие от алюминиевых сплавов, его механическая прочность с ростом температуры увеличивается. Это позволяет осуществлять рабочий процесс при больших температурах, что повышает индикаторные показатели двигателя. 3. Углерод обладает самосмазываемостью, что увеличивает эксплуатационную надежность и позволяет уменьшить расход масла на угар. 4. Углерод как материал имеет низкий коэффициент термического расширения. Изготовление поршня и цилиндра из углеродного композита позволяет уменьшить конструкционные мертвые объемы зазоров без риска задира при высоких нагрузках, а также снизить выбросы углеводородов в режиме холодных пусков. 5. Углерод демонстрирует высокое сопротивление разрушению в режиме термошока. Массовому применению углеродных композитов препятствует высокая себестоимость их производства. Углеродно-графитовые поршни нашли ограниченное коммерческое применение в ПД специального назначения, например для беспилотных летательных аппаратов, спортивных автомобилей. Максимального эффекта от использования углеродных композитов можно будет достичь только при комплексном проектировании всех деталей цилиндро-поршневой группы. Установка поршня и гильзы, изготовленных из одного материала, позволит обеспечить минимальные монтажные зазоры, уменьшить количество поршневых колец и, возможно, полностью отказаться от их использования. С учетом отличных антифрикционных качеств данного материала это позволит существенно снизить уровень шума и механические потери [4]. Разработка методов влияния на свойства материалов в зависимости от их состава, строения компонентов и технологии изготовления позволит создавать конструкции, максимально учитывающие особенности работы поршня в двигателе. Например, изменение теплопроводности материала поршня позволит изменять его температуру. Для двигателей с самовоспламенением гомогенной смеси от сжатия [5, 6] требуется увеличение максимальных температур днища поршня для улучшения смесеобразования, а в бензиновых двигателях для работы без детонации необходимо ограничивать максимальную температуру. Оптимизация конструкции поршня на основе расчетно-экспериментальных исследований позволит уменьшить массу, что также будет способствовать улучшению показателей двигателя. Повышение общего уровня температур увеличит индикаторные и эффективные показатели двигателя. Такие исследования проводятся в настоящее время на кафедре автомобильных и тракторных двигателей Университета машиностроения (МАМИ). Высокая стоимость традиционного производства углеродно-графитовых поршней обусловлена сравнительно сложной и длительной технологией получения заготовки поршня, которая предполагает подготовку сырья со специальной жидкокристаллической структурой, называемой мезофазной, предварительное формование, многоступенчатый процесс карбонизации с тщательным межоперационным контролем из-за чувствительности материала к окислению, большему выделению летучих веществ при пиролизе, большому проценту усадки. Поэтому разработка технологий, направленных на снижение производственных затрат, - актуальная задача. Разработка и освоение нетрадиционных технологий получения формованных высокоточных изделий из углеродсодержащих композитов начаты ООО «РЕАМ-РТИ». В основу технологии положены процессы формования из углеродсодержащих композитов упругих эластомерных заготовок и их химико-термической карбонизации. Размеры конечных заготовок максимально приближены к требуемой геометрии, что должно позволить сократить количество операций финишной механической обработки. На данный момент получены обнадеживающие результаты изготовления опытных (пилотных) образцов изделий, таких как рабочие колеса и направляющие аппараты насосных ступеней, детали героторных насосов, а также демонстрационных образцов поршней для ПД проекта ЦИАМ им. П.И. Баранова и гильз цилиндров. Физико-механические свойства углеграфитовых материалов для поршней компании Schunk (Германия) и ООО «РЕАМ-РТИ» представлены в таблице. Физико-механические свойства углеродсодержащих композитов для изготовления поршней ДВС Варианты композитов Прочность на разрыв, МПа Относительное удлинение, % Прочность на сжатие, МПа Прочность на изгиб, МПа Ударная прочность, кгс см/см2 Плотность, г/см3 Углеграфитовые материалы поршней компании Schunk, Германия Schunk FU 4270 - - 150 80-100 - 1,8 Schunk FU 2451 - - 250 100-120 - 1,9 Углеграфитовые композиты ООО «РЕАМ-РТИ» Карбул 3 40 4 240 120 7 1,17 Карбул 1 42 2 280 90 8 1,24 Характерная особенность технологии и материалов «Карбул» - низкая усадка изделия в процессе производства, которая в зависимости от рецептуры и режима отверждения составляет 4-6% с высокой степенью повторяемости конечных размеров. Работы по обработке поршней, которые ведутся с участием специалистов Университета машиностроения (МАМИ), выявили ряд особенностей механической обработки углеродных композитов «Карбул». Найдены решения по подбору лезвийного инструмента, режимам обработки, контролю. На рис. 3 показаны образцы поршней, обработанных ООО «НПП Автотехнология - МАМИ». Опыт изготовления поршней для ПД по технологии ООО «РЕАМ-РТИ» выявил ряд проблем, связанных с поведением недоотвержденного углеродсодержащего композита в температурном диапазоне 20-200 °С (рис. 4), а также с механической обработкой (необходимость применения для прорезания канавок под кольца режущих инструментов с особо твердыми износостойкими пластинами). Решением этих проблем занимается ООО «НПП Автотехнология - МАМИ». Подводя итоги всего вышеизложенного, можно выделить ряд работ, способствующих развитию технологии производства деталей сложной геометрии из высокопрочных керамикоподобных углеродсодержащих композитов, которые предстоит осуществить в ближайшее время: - продолжить формирование требований к свойствам материала и исследование влияния технологических пределов изготовления поршней на достижение этих свойств, уделив особое внимание тепловому расширению в температурном диапазоне эксплуатации ПД, обеспечению оптимальной теплопроводности, обрабатываемости; - на основании требований к свойствам материала уточнить рецептуры, режимы химико-термической и механической обработки; - приступить к более глубокому изучению особенностей инновационной технологии «Карбул» и материалов, включая углеродсодержащие матрицы с использованием карбидов и других ингредиентов; - приступить к освоению технологии силицирования структур материала «Карбул» для высокотемпературных изделий, работающих в окислительной среде отработавших газов, применительно к задаче высокоэффективных ГТД с регенеративным рабочим циклом.

About the authors

I. S Pyatov

REAM-RTI, LLC

A. R Makarov

University of Mechanical Engineering (MAMI)

Email: a-r-makarov@yandex.ru

A. V Kostyukov

University of Mechanical Engineering (MAMI)

S. V Smirnov

University of Mechanical Engineering (MAMI)

V. N Posedko

University of Mechanical Engineering (MAMI)

L. A Finkelberg

Central Institute of Aviation Motors

A. N Kostyuchenkov

Central Institute of Aviation Motors

References

Supplementary files